面向在轨维护的多星与非合作目标编队飞行轨迹规划与控制

For a team of spacecafts cooperatively achieving the approaching, surveillance, berthing and maintenance to a non-cooperative target on orbit, a higher requirement on self-control, precision and reliability is emerged for formation flying. The formation configuration, trajectory planning and control is researched in this project for the surveillance and maintenance of the non-cooperative target. The main contributions of this project are as follows: 1) Design time-fuel optimal, heterogeneous and multi-dimensional formation flying configuration for servicing spacecrafts and a common non-cooperative target; 2) Establish the system-level integration of attitude and orbit coupling dynamics, which can accurately reflect the attitude /orbit coupling relations for a couple of servicing spacecrafts and the formation dynamics feature; 3) Propose the optimal relative transition trajectory planning for the formation flying ,which can consume minimum fuel at the formation initialization stage and minimize the time-fuel at the formation reconfiguration stage; 4) Present the robust control algorithm for the maintenance configuration to achieve the precision and stability control of servicing spacecraft's attitude and orbit. The research of the project put forward the key approach to realize the cooperative maintenance of non-cooperative targets using a team of spacescraft.

多个航天器协同完成对非合作目标的跟踪接近、监视、停靠、维护等在轨服务任务，对航天器编队飞行技术提出了更高的自主控制、高精度及高可靠性的要求。本课题以在轨监视与维护非合作目标为背景，开展多个服务航天器与非合作目标编队飞行的构型设计、轨迹规划与控制等方面的关键技术研究。主要研究内容：1）设计时间-燃料最优的多星与非合作目标编队飞行异构多维编队构型；2）建立系统级一体化姿轨耦合动力学模型，准确放反映服务航天器间的姿/轨耦合关系及编队整体动力学特性；3）提出多星与非合作目标编队飞行的最优相对转移轨迹规划方法，实现编队构型初始化阶段的燃料最优和编队构型调整阶段的时间-燃料最优；4）提出在轨维护任务构型姿轨一体化保持鲁棒控制算法，实现对任务构型下各服务航天器位置和姿态的高精度稳定控制。 本课题的研究为实现未来多星在轨协同抓捕与维护非合作目标提供了关键性的技术支撑。

多个航天器协同完成对非合作目标的跟踪接近、监视、停靠、维护等在轨服务任务，对航天器编队飞行技术提出了更高的自主控制、高精度及高可靠性的要求。本课题以在轨监视与维护非合作目标为背景，开展多个服务航天器与非合作目标编队飞行的构型设计、轨迹规划与控制等方面的关键技术研究。主要研究内容：1）设计时间-燃料最优的多星与非合作目标编队飞行异构多维编队构型；2）建立系统级一体化姿轨耦合动力学模型，准确放反映服务航天器间的姿/轨耦合关系及编队整体动力学特性；3）提出多星与非合作目标编队飞行的最优相对转移轨迹规划方法，实现编队构型初始化阶段的燃料最优和编队构型调整阶段的时间-燃料最优；4）提出在轨维护任务构型姿轨一体化保持鲁棒控制算法，实现对任务构型下各服务航天器位置和姿态的高精度稳定控制。主要研究成果有：1）提出了基于行为的非合作目标多航天器编队系统动力学建模与轨迹规划方法，该方法可以使多航天器编队系统在3000s内运动至期望构型；在复杂的、多个控制目标的编队飞行轨迹规划中优势明显，具有自主性、协同性、鲁棒性强等特点，同时可应用于不同类型的编队构型相对运动规划；2）提出了共面航天器小推力转移轨迹初始规划与最优控制方法，能够满足径向轨迹约束，对于轨道转移问题可获得能量消耗接近最优的解析解，可用于高精度调整多航天器与非合作目标共面编队构型；3）针对大范围轨道平面变化，提出了异面航天器小推力转移轨迹初始解析规划与最优控制方法，同样可用于高精度调整多航天器与非合作目标异面编队构型；4）建立了一套演示验证多微小航天器超近距离相对运动控制的闭环测试仿真系统。本课题的研究为实现未来多星在轨协同抓捕与维护非合作目标提供了一定的技术支撑。